張志鐸　姚紅澤

【摘 要】民航客機(jī)座艙增壓系統(tǒng)的正常工作對(duì)于飛機(jī)的安全飛行以及飛機(jī)的適航性的符合有著重要的作用。本文對(duì)民航客機(jī)座艙增壓系統(tǒng)的工作原理做出介紹和分析，對(duì)于本系統(tǒng)原理的深入學(xué)習(xí)有一定參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)；座艙高度；座艙增壓；數(shù)字式座艙壓力控制器

中圖分類(lèi)號(hào)： V221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）23-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.022

現(xiàn)代民航客機(jī)座艙增壓系統(tǒng)的功能是飛機(jī)在計(jì)劃的飛行高度范圍內(nèi)，使座艙高度①及座艙高度變化率（爬升率和下降率）能夠符合飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全要求，并滿足人體對(duì)座艙環(huán)境壓力和氧氣密度的基本生理需求。

1 增壓系統(tǒng)原理

增壓系統(tǒng)中，空調(diào)組件迫使空氣由空氣分配系統(tǒng)進(jìn)入飛機(jī)座艙，經(jīng)外流活門(mén)流出機(jī)外。座艙包括駕駛艙和客艙等，增壓控制系統(tǒng)能夠使座艙壓力高于外界環(huán)境壓力。飛行中，空調(diào)系統(tǒng)提供經(jīng)過(guò)調(diào)定溫度和流量的空氣進(jìn)入座艙，壓力的控制可通過(guò)控制外流活門(mén)的排氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。外流活門(mén)開(kāi)度變大，排氣量增加，艙內(nèi)壓力減小；外流活門(mén)開(kāi)度變小，排氣量減小，艙內(nèi)壓力增加。飛行中，外流活門(mén)的開(kāi)度決定了增壓艙內(nèi)絕對(duì)壓力，外流活門(mén)的開(kāi)關(guān)速率決定了增壓艙壓力變化率。

根據(jù)適航法規(guī)規(guī)定，飛機(jī)的座艙高度不能大于8000feet（英尺），飛機(jī)巡航高度一般在30000～40000feet之間，此時(shí)座艙內(nèi)外存在較大正余壓，外流活門(mén)處壓差最大。為保證座艙內(nèi)的壓力：飛機(jī)處于巡航狀態(tài)時(shí)，外流活門(mén)開(kāi)度最小，座艙高度大；飛機(jī)在地面時(shí)，外流活門(mén)開(kāi)度大，座艙高度低。

在起飛爬升和下降階段，人體對(duì)于增壓率和減壓率的適應(yīng)能力不同。增壓控制系統(tǒng)除了對(duì)座艙高度的限制外，對(duì)于座艙高度的變化率嚴(yán)格控制，座艙高度爬升率不得超過(guò)500feet/min，下降率不得超過(guò)350feet/min。座艙高度的變化率可通過(guò)外流活門(mén)關(guān)閉和開(kāi)啟的速度來(lái)控制：活門(mén)關(guān)閉速度越大，座艙高度下降率越大；活門(mén)開(kāi)啟速度越大，座艙高度爬升率越大。

2 座艙壓力制度

座艙壓力制度指在不同的飛行高度下，飛機(jī)座艙高度有規(guī)律的進(jìn)行控制。同時(shí)也表明在靜態(tài)調(diào)節(jié)特性下，壓力控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)?，F(xiàn)代民航飛機(jī)有兩種座艙壓力制度：三段式和直線式。前者用于低速飛機(jī)，本文只針對(duì)現(xiàn)代民航客機(jī)廣泛使用的直線式壓力制度進(jìn)行原理解析。

圖1為直線式座艙壓力制度，飛機(jī)在地面起飛爬升到巡航階段（a點(diǎn)到b點(diǎn)）時(shí)，飛行高度增加時(shí)與之對(duì)應(yīng)的座艙高度呈近似線性規(guī)律；在起飛爬升階段，座艙內(nèi)外壓差緩增，巡航階段時(shí)，壓差最大，并通過(guò)余壓限制器限制，防止飛機(jī)結(jié)構(gòu)受損。例如波音737飛機(jī)采用數(shù)字式座艙壓力控制器（CPC）對(duì)座艙壓力進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)直線式壓力制度。

3 座艙增壓控制

現(xiàn)代民航客機(jī)的座艙增壓控制系統(tǒng)作用是控制空氣流出客艙的速率，其主要部件包括座艙壓力控制組件、數(shù)字式座艙壓力控制器（CPC）、外流活門(mén)。CPC是中央控制計(jì)算機(jī)，是實(shí)現(xiàn)壓力控制以及調(diào)節(jié)的核心元件，作為CPC執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外流活門(mén)接受其指令執(zhí)行活門(mén)開(kāi)度大小以及開(kāi)關(guān)速率的動(dòng)作。數(shù)字式壓力控制系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外流活門(mén)，包括直流電機(jī)和交流電機(jī)。現(xiàn)代大型民航客機(jī)采用的是數(shù)字式壓力控制系統(tǒng)，其控制的座艙壓力以及變化率更能根據(jù)不同的飛行高度得到高精度的控制，因此的得到了廣泛的使用。

現(xiàn)代民航客機(jī)座艙增壓系統(tǒng)具有正常壓力控制和應(yīng)急壓力控制兩大功能，其中正常壓力控制系統(tǒng)為數(shù)字式壓力控制系統(tǒng)。

3.1 座艙正常壓力控制系統(tǒng)

正常壓力控制系統(tǒng)采用數(shù)字式壓力控制（CPC）系統(tǒng)，它的組成部件包括程序編制器、座艙高度變化率限制器（限制座艙爬升率和下降率）和最大余壓限制器（監(jiān)控正余壓和負(fù)余壓）。起飛前，駕駛員將巡航高度、著陸高度等參數(shù)輸入數(shù)字式壓力控制器。增壓控制系統(tǒng)將根據(jù)起落架“空/地”傳感器和和飛行電門(mén)的信號(hào)自動(dòng)編制本次飛行的增壓程序，在不同的飛行階段對(duì)座艙壓力進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

3.2 座艙應(yīng)急壓力控制系統(tǒng)

正常增壓控制系統(tǒng)失效時(shí)，座艙高度、座艙高度變化率易超過(guò)限制值，使飛機(jī)處于不適航狀態(tài)。座艙內(nèi)壓力過(guò)低，人體對(duì)壓力和氧氣密度的基本生理需求得不到保障，嚴(yán)重時(shí)危及生命。另外隨著飛行狀態(tài)的改變，沒(méi)有得到有效控制的座艙壓力會(huì)使得座艙內(nèi)外壓差值（包括正壓和負(fù)壓）過(guò)大，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷。

座艙應(yīng)急增壓控制系統(tǒng)包括：正向壓力釋壓活門(mén)、負(fù)壓釋壓活門(mén)、壓力均衡活門(mén)和座艙高度警告系統(tǒng)。

1）正向壓力釋壓活門(mén)

正向壓力釋壓活門(mén)是失效安全裝置（又被稱為安全活門(mén)），當(dāng)活門(mén)故障卡阻于關(guān)位時(shí)，座艙內(nèi)壓力大于座艙外環(huán)境壓力一定值時(shí)，活門(mén)打開(kāi)，將座艙內(nèi)空氣噴出，釋放了座艙壓力。例如波音737飛機(jī)艙內(nèi)壓力大于艙外壓力8.95psi②時(shí)，正向壓力釋壓活門(mén)打開(kāi)，從而防止損壞飛機(jī)結(jié)構(gòu)。

2）負(fù)壓釋壓活門(mén)

負(fù)壓釋壓活門(mén)防止飛機(jī)快速下降期間產(chǎn)生負(fù)的壓差（座艙外的壓力高于座艙內(nèi)的壓力產(chǎn)生的真空壓力）損壞飛機(jī)結(jié)構(gòu)。例如波音737飛機(jī)，當(dāng)飛機(jī)外的壓力比飛機(jī)內(nèi)的壓力大1.0psi時(shí)，負(fù)釋壓活門(mén)打開(kāi)。

3）壓力均衡活門(mén)

前后貨艙都安裝有壓力均衡活門(mén)，壓力均衡活門(mén)由兩個(gè)控制空氣流向不同的單向活門(mén)組成。其中一個(gè)單向活門(mén)控制空氣進(jìn)入貨艙，一個(gè)單向活門(mén)控制空氣排出貨艙，從而使得客艙和貨艙壓力保持一致。

4）座艙高度警告系統(tǒng)

座艙高度警告是指座艙高度10000feet時(shí)，座艙高度警告電門(mén)閉合，接通警告電路并發(fā)出音響警告，駕駛員可以切斷音響警告，直到座艙高度音響警告再次響起。當(dāng)座艙高度大于等于14000feet時(shí)，客艙乘客氧氣面罩自動(dòng)釋放。

3.3 增壓工作模式

工作模式包括：自動(dòng)模式、交替模式（備用模式）、人工模式。正常工作為自動(dòng)模式，當(dāng)自動(dòng)模式失效時(shí)，CPC將增壓系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為備用模式。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)自動(dòng)模式和備用模式都存在故障無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)增壓時(shí)，飛機(jī)增壓警告面板給出警告，提醒駕駛員使用人工模式進(jìn)行人工操作。

對(duì)于波音737機(jī)型，有2個(gè)外流活門(mén)。位于電子設(shè)備艙的前排氣活門(mén)除了輔助后外流活門(mén)對(duì)座艙進(jìn)行增壓外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備艙的冷卻功能。后外流活門(mén)有2個(gè)28V直流電機(jī)和一個(gè)48V交流電機(jī)，每次只有一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)活門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)模式和備用模式下，CPC通過(guò)2個(gè)28V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)后外流活門(mén)。當(dāng)自動(dòng)模式和備用模式失效時(shí)，駕駛員可通過(guò)人工模式對(duì)48V交流電機(jī)對(duì)后外流活門(mén)進(jìn)行人工超控，實(shí)現(xiàn)對(duì)座艙壓力的人工控制。在增壓控制系統(tǒng)工作時(shí)，由于后外流活門(mén)向后排出空氣，因此可以產(chǎn)生一定推力，又被稱為推力回收活門(mén)。

波音737飛機(jī)前排氣活門(mén)彈簧將活門(mén)保持在開(kāi)位，當(dāng)飛機(jī)開(kāi)始增壓，流過(guò)活門(mén)的空氣流量逐漸增加30lb/min鐘時(shí)，活門(mén)關(guān)閉。此時(shí)產(chǎn)生的1psi的壓差將活門(mén)保持在關(guān)閉位置。

3.4 自動(dòng)模式座艙高度剖面

圖2為波音737飛機(jī)飛行中自動(dòng)模式下的座艙高度剖面，增壓系統(tǒng)在自動(dòng)模式中對(duì)飛機(jī)所有飛行階段進(jìn)行座艙壓力控制，包括六個(gè)飛行階段：地面、起飛、爬升、巡航、下降和著陸。增壓系統(tǒng)通過(guò)起落架“空/地”電門(mén)和兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)N1軸轉(zhuǎn)速的信息來(lái)判斷飛機(jī)處于地面還是空中，從而執(zhí)行了五種增壓程序：地面不增壓、地面預(yù)增壓、爬升程序、巡航程序和下降程序[1]。

1）地面不增壓程序

當(dāng)起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在地面狀態(tài)，且兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的N1③轉(zhuǎn)速小于50%至少1.5秒，這時(shí)CPC判斷飛機(jī)在地面狀態(tài)。此時(shí)外流活門(mén)全開(kāi)，座艙處于自由通風(fēng)不增壓狀態(tài)。

2）地面預(yù)增壓程序

當(dāng)起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在地面狀態(tài)，并且兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)N1轉(zhuǎn)速至少在1.5秒內(nèi)增加到60%以上，這時(shí)CPC判斷飛機(jī)處于起飛前或者著陸前時(shí)的狀態(tài)。此時(shí)CPC將座艙增壓到低于場(chǎng)壓高度0.1psi（即輸出189feet的偏壓信號(hào)），外流活門(mén)部分關(guān)閉，這樣防止飛機(jī)在起飛時(shí)沖擊氣流對(duì)座艙造成的壓力瞬時(shí)增加。

3）起飛爬升程序

當(dāng)起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在空中狀態(tài)時(shí)，座艙增壓系統(tǒng)執(zhí)行起飛爬升程序。CPC根據(jù)飛行前輸入的巡航高度自動(dòng)編制增壓程序，不斷調(diào)節(jié)后外流活門(mén)的開(kāi)度以及關(guān)閉速率，使得每一個(gè)飛行高度都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的座艙高度以及座艙高度變化率，直到飛機(jī)到達(dá)設(shè)定的巡航高度。

4）巡航程序

當(dāng)飛機(jī)外部環(huán)境的壓力降低到飛行巡航高度選擇的壓力0.25psi時(shí)（即與巡航高度相差400feet時(shí)），CPC控制系統(tǒng)進(jìn)入巡航狀態(tài)。飛機(jī)在巡航狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)不可能時(shí)刻精準(zhǔn)的保持在巡航高度上，飛機(jī)的飛行高度會(huì)改變。設(shè)置0.25psi控制信號(hào)的目的是為了防止飛機(jī)（下轉(zhuǎn)第35頁(yè)）（上接第59頁(yè)）由于飛行高度的改變?cè)斐蒀PC頻繁的工作切換，造成使用壽命減少。因此在巡航高度上下相差800feet的范圍內(nèi)，CPC使后外流活門(mén)處于全關(guān)位[2]。

5）下降程序

當(dāng)飛機(jī)外部壓力增加到大于飛行高度選擇的0.25psi時(shí)（即飛機(jī)的飛行高度低于巡航高度400feet時(shí)），CPC執(zhí)行下降階段增壓程序。此時(shí)CPC控制后外流活門(mén)開(kāi)度逐漸增大，并控制外流活門(mén)開(kāi)啟的速率，此程序按照壓力制度預(yù)定的座艙高度與飛機(jī)高度的線性關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證座艙高度和座艙高度變化率不超限。當(dāng)飛機(jī)接地時(shí)，CPC將座艙壓力增加到比選定的著陸高度低0.15psi的壓力（即輸出300feet的偏壓信號(hào)）。飛機(jī)接地后，起落架“空/地”系統(tǒng)指示左右起落架在地面狀態(tài)，CPC執(zhí)行地面預(yù)增壓程序。當(dāng)飛機(jī)停機(jī)時(shí)，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的N1轉(zhuǎn)速小于50%至少1.5秒，CPC執(zhí)行地面不增壓程序。至此，座艙增壓控制系統(tǒng)完成了對(duì)飛機(jī)不同飛行階段完整的增壓控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李元鏡，飛續(xù)飛試驗(yàn)載荷譜（5乘5譜）編制方法初探[J].《民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究》，2002，3，1-11.

[2]任仁良，張鐵純.渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006.11，292-302.

注釋：

①座艙高度是指座艙內(nèi)部氣壓所對(duì)應(yīng)的所在高度的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力.

②psi，英制壓強(qiáng)單位，磅每平方英寸.

③N1軸，CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸.